实验一系统认识实验

实验一系统认识实验1. 实验目的(1) 熟悉实验箱的构成；(2) 建立对计算机组成及其原理的基本认识；(3) 熟悉联机软件CMPP的使用。

2. 实验设备TDN-CM+ 教学实验系统一套，PC机一台。

3. 实验原理3.1 计算机系统的基本组成一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成的，二者是一个有机的整体，必须协同工作才能发挥计算机的作用。

3.1.1 数字计算机的组成一台典型的数字计算机是由五大部分组成的，即运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备。

其基本硬件结构图如图1-1所示。

图1-1 数字计算机的基本硬件结构图运算器：是用来进行算术和逻辑运算的部件。

它由算术逻辑部件(ALU)和若干通用寄存器组成。

它的主要功能是进行加、减、乘、除等算术运算和实现“与”、“或”、“非”等逻辑运算。

存储器：用来存放程序和数据的部件。

它以单元为单位线性编址，按地址读／写其单元。

输入／输出设备：计算机由输入设备接受外部信息，通过输出设备将信息送往外部。

控制器：负责协调上述部件的操作，发出控制命令，是计算机的指挥中心。

它从存储器中取出指令，进行分析，然后发出由该指令规定的一系列微操作命令，通过控制所有其他部件来完成指令规定的功能。

通常，又把运算器和控制器合在一起称为中央处理器，即CPU。

由图1－1可以看出，在计算机中，基本上有两股信息在流动：一种为数据信息流，即各种原始数据、中间结果、程序等；而另一股为控制信息流，即由控制器发出的一系列微命令序列，用来控制装置的启动或停止，控制运算器按一定的步骤进行各种运算和处理，控制存储器进行读／写，控制输出设备输出结果等。

3.1.2 数字计算机的工作原理虽然计算机技术已经发展了几十年，计算机体系结构也发生了许多演变，但计算机一般还是基于冯·诺依曼原理来工作的。

冯·诺依曼机的主要特点如下：(1) 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件构成；(2) 用二进制码表示指令和数据；(3) 采用存储程序的工作方式。

冯·诺依曼计算机的工作方式，可称为控制流(指令流)驱动方式。

在这种方式下，按照指令执行的序列，依次读取指令并根据所含有的控制信息调用数据进行处理。

因此，在执行的过程中，始终以控制信息流为驱动工作因素，而数据信息流则是被动地被调用处理。

为了对指令流进行控制，通过设置一个程序计数器(PC：Program Counter)来存放下一次将被执行的指令所在单元的地址。

对于顺序执行的程序，每取出一条指令后PC的内容就自动加1。

当程序发生分支转向时，就将转向去的地址送入PC中，以便按转向地址读取后续指令。

所以，PC就可正确地指示并控制指令序列的执行顺序。

3.2 教学实验系统简介TDN-CM+ 教学实验系统是计算机组成原理课程实验所使用的核心设备，现对它作一个简明的介绍。

3.2.1 系统功能特点(1)结构清晰的单元式实验电路，可构造出不同结构及不同复杂程度的原理性计算机；(2)对实验设计具有完全的开放性，增强学生综合设计能力；(3)通用逻辑器件和大规模可编程逻辑器件相结合，可面向不同层次的学生；(4)具有实时调试功能的图形方式操作界面，也可用于多媒体辅助教学；(5)多种输入／输出方式及逻辑信号测量功能，实验操作及观察更容易；(6)实验电路具有实时在线检测功能，便于检查接线错误；(7)提供微程序控制器和组合逻辑控制器两种控制方式；(8)采用静态随机存储器和先进先出存储器，与x86 CPU体系结构吻合。

3.2.2 系统实验单元电路1.运算器单元运算器单元位于实验箱线路板左部，它包括运算器单元和寄存器堆单元。

(1) 运算器单元(ALU UNIT)运算器单元由以下部分构成：两片74LSl81构成了并一串型8位ALU；两个8位寄存器DR1和DR2作为工作暂存器，保存参数或中间运算结果；ALU的输出由三态门74LS245通过排针连到数据总线上；一片8位的移位寄存器74LS299可通过排针连到数据总线上；由GAL 和74LS74锁存器组成进位标志控制电路和为零标志控制电路；进位标志和为零标志指示灯。

(2) 寄存器堆单元(REG UNIT)这部分由三片8位寄存器R0、R1、R2组成，它们用来保存操作数及中间运算结果等。

三个寄存器的输入已连至BUS总线，而三个寄存器的输出共用一个RJ1引出，待用排线连至总线。

2．计数器与地址寄存器单元(ADDRESS UNIT)此单元位于实验箱线路板的中部，由地址寄存器AR、程序计数器PC及8位地址显示灯构成。

单元中程序计数器PC及地址寄存器AR的输入已接至总线，而程序计数器PC的输出以排针形式引出(ADJ6)，地址寄存器AR的输出以排针形式引至外总线单元“EXT BUS”中的AD7～AD0。

3．指令寄存器单元(INS UNIT)指令寄存器单元位于实验箱线路板的中部。

在指令寄存器单元中，指令寄存器IR的输出以排针形式引出到I7～I0，构成模型机时用它作为指令译码电路的输入，实现程序跳转控制。

4．时序电路单元(STATE UNIT)时序电路单元位于实验箱线路板的左上部，其电路由四部分构成：消抖电路(KK1)、时序控制(TS1、TS2、TS3、TS4)、时钟信号源(φ)、拨动二进制开关组(STOP、STEP)。

用户将φ信号与信号源的输出插孔相连，然后按动START(KK1)微动开关，根据STOP及STEP的状态，T1～T4将输出有规则的方波信号。

5．微控器电路单元(MICRO-CONTROLLER UNIT)本系统的微控器单元主要由编程部分和核心微控器两部分组成。

编程部分是通过编程开关的相应状态选择及由CLK、CLK0引入的节拍脉冲的控制来完成将预先定义好的机器指令对应的微程序写入到E2PROM 2816控制存储器中，并可以对控制存储器中的微程序进行校验。

该系统具有本机现场直接编程功能，且由于选用E2PROM 芯片为控制存储器，所以具备掉电保护功能。

核心微控器主要完成接收机器指令译码器送来的代码，转向相应机器指令对应的微程序的首条微指令，对该条机器指令的功能进行解释或执行的工作。

更具体讲，就是通过接收CPU指令译码器发来的信号，找到本条机器指令对应的首条微指令的微地址入口；再通过由CLK引入的时序节拍脉冲的控制，读出微指令（实验板上的微控器单元中的24位显示灯(MD1～MD24)显示的是当前读出的微指令的二进制码）；然后，其中几位再经过译码，一并产生实验板所需的相应控制信号，将它们加到数据通路中相应的控制位置，就可控制实现该微指令的功能；一条微指令执行完毕，地址译码产生下一条微指令对应的微地址；重复上述操作，每运行一段微程序，就完成一条机器指令的功能，周而复始，即可实现机器指令程序的运行。

6．逻辑译码单元 (LOG UNIT)逻辑译码单元位于实验箱线路板的中部，由两片GAL构成。

本单元主要功能一是根据机器指令及相应的微指令进行译码，使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行；二是实现三个工作寄存器R0、R1、R2的选通译码。

7. 主存储器单元（MAIN MEM）本单元位于实验箱线路板左下部，采用一片6116 SRAM，用于存储实验中的指令和数据。

8. 输入设备单元（INPUT DEVICE）本单元位于实验箱线路板左下角，使用8个可拨动的输入开关作为输入设备。

9. 输出设备单元（OUTPUT DEVICE）本单元位于实验箱线路板左下部，输出的数据进入锁存器后由两个LED数码管显示。

10．总线单元 (BUS UNIT)本单元位于实验箱线路板中部，包括6组8芯排针，它们是横向对应连通的。

排针下方是8位数据显示灯，用以显示总线上的二进制数值，将各单元引出的排针与总线单元用8孔排线连好，就可构成相应的实验电路的数据通路。

11．控制信号发生单元 (W／R UNIT)此单元位于实验箱线路板左中部，用来转接产生各单元电路所需的时序信号，以及外总线所需的读／写控制信号W／R。

该单元电路由2部分组成。

(1) 4个排针引出端T1、T2、T3、T4为时序信号输入端，它们和实验单元中相应的时序信号控制端全部相连。

在做部件实验时，须将相应线接至KK2来产生单脉冲；做模型机实验时，T1、T2、T3、T4接至“STATE UNIT”相应的TS1、TS2、TS3、TS4即可。

(2) 在实验中只需适当定义微指令的24位信号的含义，并将读／写控制位接入到WE 上，就可为系统外总线提供W／R信号。

12．外总线单元 (EXT BUS)此单元位于实验箱线路板中下角，其中AD7～AD0排针为“ADDRESS UNIT”的地址总线输出；D7～D0排针为“BUS UNIT"的数据总线输出；W／R作为“W／R UNIT”的输出读／写控制线；A8、A9为转接插座，可接至“MICRO-CONTROLLER UNIT”的24位控制位中的任意两位，作为外设选择信号。

13．扩展单元 (EX UNIT)此单元位于实验箱线路板的左下角，单元两侧的8线排针为两组独立的总线扩展转接区，中间为I／O译码电路，采用一片74LSl39作译码器。

当A9=0，A8=0时，选中Y0；当A9=0，A8=l时，选中Y1；当A9=l，A8=0时，选中Y2；当A9=l，A8=l时，选中Y3。

其中：Y0、Y1、Y2、Y3为低电平有效。

14. 逻辑信号测量单元（OSC UNIT）此单元位于实验箱线路板左上方，提供两路逻辑信号PC示波器，用于测试信号波形。

15. 开关单元（SWITCH UNIT）此单元位于实验箱线路板右下方，实验中的各电平控制信号连接到相应的开关，以实现控制信号的输入。

16. 指示灯单元（LED UNIT）用于测量和指示逻辑信号，信号为“0”是LED发光二极管亮。

3.2.3 系统集成操作软件CMPPCMPP 集成操作软件是用于实验箱与PC机联机操作的图形方式操作界面，具有动态调试功能，可以完全根据实验系统的数据通路图动态显示用户设计的实验数据流的流向、数据值、控制线和相关单元的内容。

CMPP 软件通过PC机串行口与实验箱中的89C51单片机进行通信，利用单片机实现对实验装置的程序存储器、微程序控制器进行读写，并可实现单步微程序、单步机器指令和程序连续运行等控制。

1. 启动软件软件的启动方式有两种：(1) [开始]／[程序]菜单中单击“CMPP”的程序组启动；(2) 桌面上双击快捷方式就可以启动该程序组。

2. 界面窗口介绍主界面如图1-2所示，主要分为三部分：指令区、输出区和图形区。

(1)指令区：分为两部分，即机器指令区和微指令区，在指令区的下方有“机”、“微”两个Tab按钮，通过这两个按钮在机器指令区和微指令区之间来回切换。